Đo lường công nghiệp - Chương 4: Cảm biến đo dịch chuyển, vị trí - Nguyễn Đức Hoàng

ĐO LƯỜNG CÔNG NGHIỆPGiảng viên: Nguyễn Đức HoàngBộ môn Điều Khiển Tự ĐộngKhoa Điện – Điện TửĐại Học Bách Khoa Tp.HCMEmail: ndhoang@hcmut.edu.vnMÔN HỌCCẢM BIẾN ĐODỊCH CHUYỂN ,VỊ TRÍCHƯƠNG 44:22 PMNội dung chương 44.1 Nguyên lý đo4.2 Cảm biến điện trở4.3 Cảm biến điện dung4.4 Cảm biến điện cảm (LVDT)4.5 Cảm biến quang (Encoder)4:22 PMNguyên lý đoVị trí là thuật ngữ chỉ tọa độ của một đối tượng với chuẩn chọn trướcDịch chuyển là sự chuyển động của đối tượng từ vị trí này sang vị trí khác với một khoảng cách hoặc một góc nào đó4:22 PMNguyên lý đo (tt)Có 2 pp để xác định vị trí và dịch chuyển+ Bộ cảm biến cung cấp tín hiệu là hàm phụ thuộc vị trí của một trong các phần tử của cảm biến, đồng thời phần tử này có liên quan đến vật cần xác định dịch chuyển+ Ứng với một dịch chuyển cơ bản, cảm biến phát ra một xung. Việc xác định vị trí và dịch chuyển được tiến hành bằng cách đếm số xung phát ra4:22 PMNguyên lý đo (tt)Một số cảm biến không đòi hỏi liên kết cơ học giữa cảm biến và vật cần đo vị trí hoặc dịch chuyển.Mối liên hệ giữa vật dịch chuyển và cảm biến được thực hiện thông qua vai trò trung gian của điện trường, từ trường hoặc điện từ trường, ánh sángCác loại thông dụng:+ Cảm biến điện trở+ Cảm biến điện dung+ Cảm biến điện cảm+ Cảm biến quang4:22 PMCảm biến điện trởCấu tạo và nguyên lý làm việc:Cảm biến gồm một điện trở cố định, trên đó có một tiếp xúc điện có thể di chuyển gọi là con chạy. Con chạy được liên kết cơ học với vật chuyển động cần khảo sát 4:22 PMCảm biến điện trở (tt)Cảm biến điện trở chuyển động thẳngCảm biến điện trở chuyển động tròn hoặc xoắnM 3600 (xoắn)4:22 PMCảm biến điện trởVí dụ:Cảm biến điện trở được sử dụng để đo góc của cánh tay như hình vẽ. Tính góc quay của cánh tay khi áp ra Vout = 2.34V. Biết tầm đo của cảm biến là 3500 ứng với 10V.4:22 PMCảm biến điện trởVí dụ: JoystickTính vx , vy ?4:22 PMCảm biến điện trởKhi cảm biến điện trở nối vào mạch giao tiếp có trở kháng vào thấp  sai số tải	Sai số tải = VNL – VL	VNL : áp ra khi không có tải	VL : áp ra khi có tảiVD:Chiết áp 10K được sử dụng làm cảm biến vị trí. Giả sử con trượt ở giữa tầm. Tính sai số tải khi:Mạch giao tiếp có trở kháng ngõ vào vô cùngMạch giao tiếp có trở kháng ngõ vào bằng 100K4:22 PMCảm biến điện trởTính sai số tương đối:4:22 PMChiết áp đo dịch chuyển	Mạch tương đương Tìm vị trí con trượt để  lớn nhất. Tính maxCảm biến điện dungCảm biến điện dung thực chất là một tụ điện gồm 2 điện cực, giữa chúng chứa chất điện môiGiả sử cảm biến là một tụ phẳng có tiết diện bản cực S, khoảng cách giữa 2 bản cực  và chứa chất điện môi . Điện dung của tụ điện là:Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên sự thay đổi của các thông số S, ,  làm C thay đổi.Cảm biến thực hiện ở dạng đơn hoặc dạng kép (vi sai) 4:22 PMCảm biến điện dung4:22 PMCảm biến điện dungCảm biến điện dung chia thành 2 nhóm lớn:+ Cảm biến máy phát: đại lượng ra là điện áp U, loại này dùng đo các đại lượng cơ+ Thông số: có đầu vào là độ dịch chuyển của bản cực, tín hiệu ra là điện dung C4:22 PMCảm biến điện dungKhi một trong ba thông số S, ,  thay đổi điện dung của tụ điện C sẽ thay đổi.Với sự thay đổi nhỏ ta có các phương trình:4:22 PMCảm biến điện dungĐộ nhạy của cảm biến:+ Khi  thay đổi (,S = const):+ Khi S thay đổi (,  = const):+ Khi  thay đổi (,S = const): Độ nhạy của cảm biến điện dung là tuyến tính khi điện môi  và tiết diện S thay đổi và phi tuyến khi khoảng cách giữa 2 bản cực  thay đổi.4:22 PMCảm biến điện dungTụ điện kép (vi sai)4:22 PMCảm biến điện dungTụ điện kép (vi sai)4:22 PMCảm biến điện dungMạch đo thường là các mạch cầu không cân bằng cung cấp bằng nguồn áp xoay chiều với tần số lớn (MHz)4:22 PMCảm biến điện dungMạch đo dịch chuyển của cảm biến điện dungNếu độ dịch chuyển  >1 S  S04:22 PMCảm biến điện dungVD1: Cho mạch đo như hình vẽ, tụ C được dùng làm cảm biến đo dịch chuyển. Khi khoảng cách khe hở 0 = 10mm thì tụ C có giá trị 10F. Nếu điện áp ra đo được có trị hiệu dụng bằng 5V, hỏi khoảng dịch chuyển là bao nhiêu? Biết áp cung cấp U0 có trị hiệu dụng bằng 10V và tần số 1Mhz, R1 = 100K.4:22 PMCảm biến điện dungVD2: Sử dụng tụ kép để đo dịch chuyển. Dùng mạch cầu và mạch khuếch đại để đo điện áp đầu ra. Tính độ dịch chuyển khi biết áp ra và áp vào. Bỏ qua ảnh hưởng của các tụ kí sinh.4:22 PMCảm biến điện dungVD3: Tìm điều kiện cần thỏa mãn của các R và C để ngõ ra tỉ lệ với dịch chuyển và độc lập với tần số.4:22 PMCảm biến điện cảmNguyên lý hoạt động:Cảm biến điện cảm hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từCảm biến điện cảm là một cuộn dây bằng đồng có đường kính từ 0.02mm ÷ 0.1mm được quấn trên lõi thép có khe hở không khí (mạch từ hở).Dưới tác động của đại lượng đo phần ứng dịch chuyển làm cho khe hở không khí thay đổi kéo theo từ trở của mạch từ thay đổi và điện cảm L cũng thay đổi.4:22 PMCảm biến điện cảm4:22 PMCảm biến điện cảm Biến áp vi sai thay đổi tuyến tính (LVDT)LVDT là cảm biến vị trí có độ phân giải cao, ngõ ra là điện áp AC có biên độ tỉ lệ với vị trí tuyến tính, có ưu điểm là không có các tiếp xúc trượt.4:22 PMCảm biến điện cảm Biến áp vi sai thay đổi tuyến tính (LVDT)4:22 PMCảm biến điện cảm LVDT4:22 PM a. Sơ đồ mạch	b. Ngõ raCảm biến điện cảm LVDT4:22 PM Mạch tương đươngCảm biến điện cảm4:22 PM Một số kết quả: Áp ngõ ra khi không có tải:Áp ngõ ra khi có tải:Cảm biến điện cảm4:22 PM Một số kết quả (tt): Độ dịch pha giữa cuộn sơ cấp và thứ cấp bằng 0 tại tần số:Nếu cuộn sơ cấp được kích tại tần số fn thì ngõ ra độc lập với tần số kích :Cảm biến điện cảm Quan hệ E0 , f , RL4:22 PM Nhận xét: + E0 tăng khi RL tăng + E0 tăng khi f tăng, sau đó lại giảm.Cảm biến điện cảm Ví dụ:4:22 PM LVDT 226-0040 có cuộn sơ cấp với R1 = 67Ω, hai cuộn thứ cấp mắc nối tiếp với tổng điện trở 2800Ω. Tại f = 1kHz cuộn sơ cấp có trở kháng 290Ω, các cuộn thứ cấp mắc nối tiếp có trở kháng 4800Ω. Độ nhạy bằng 270(µV/V)/µm khi RL = 500kΩ.Tính điện cảm các cuộn dây, bỏ qua nội trở mạch dao động.Tính tần số kích thích để độ dịch pha các cuộn dây bằng 0 tại RL = 500kΩ.Tính độ nhạy chuẩn hóa của LVDT tại f = 60Hz khi RL = 500kΩ và RL = 10kΩ.Cảm biến điện cảm Mạch đo LVDT4:22 PMCảm biến điện cảm Mạch đo LVDT4:22 PMCảm biến điện cảm Mạch đo LVDT4:22 PMCảm biến điện cảm Mạch đo LVDT4:22 PMCảm biến quang Encoder quang tạo ra vị trí góc ở dạng số  không cần bộ ADC. Có 2 loại Encoder quang: +Encoder tuyệt đối +Encoder loại tăng4:22 PMCảm biến quangEncoder tuyệt đối: sử dụng mã nhị phân Độ phân giải 3600/16 = 22.50 ƯĐ: ngõ ra vị trị tuyệt đốiNĐ: yêu cầu nhiều tế bào quang được canh chính xác, nếu không sẽ gây ra sai số4:22 PMCảm biến quangEncoder tuyệt đối : Sai số do canh sai4:22 PMCảm biến quangEncoder tuyệt đối : sử dụng mã Grey0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000Sai số không bao giờ lớn hơn giá trị 1LSB4:22 PMCảm biến quangEncoder loại tăngVị trí được xác định bằng cách đếm số rãnh đi qua tế bào quang điện, mỗi rãnh biểu diễn một góc đã biết4:22 PMCảm biến quangVD: Encoder loại tăng có 360 rãnh. Bắt đầu từ vị trí chuẩn, tế bào quang điện đếm được 100 rãnh theo chiều kim đồng hồ, 30 rãnh ngược chiều kim, sau đó 45 rãnh cùng chiều kim. Hỏi vị trí hiện tại?4:22 PMCảm biến quangEncoder loại tăng dùng 2 tế bào quang4:22 PMCảm biến quangMạch đếm4:22 PMCảm biến quangVD: Encoder loại tăng có 250 rãnh. Giá trị hiện tại của bộ đếm là 00100110. Hỏi góc quay là bao nhiêu?4:22 PM